§ 3.10. Особые случаи эксплуатации водоводов и сетей

Гидравлические удары. Если движущийся в трубопроводе поток жидкости мгновенно остановить (например, перекрыть краном, задвижкой или остановить насос), то в трубопроводе произойдет гидравлический удар. Задача о гидравлическом ударе впервые была решена русским ученым Н.Е.Жуковским.

Масса жидкости, движущаяся по трубопроводу, при резком перекрытии его продолжает движение по инерции. Вначале остановится та часть, которая придет в непосредственное соприкосновение с препятствием, затем начнут останавливаться последующие слои жидкости, уплотняя слои, остановившиеся впереди. В результате этого уплотнения давление в остановившейся массе жидкости будет возрастать. Когда энергия движения жидкости будет полностью использована в направлении ее движения, сжатая масса жидкости станет расширяться и возникнет обратная, отраженная, волна движения массы жидкости.

Зоны остановившейся жидкости и области повышенного давления распространяются по трубопроводу навстречу движущемуся потоку со скоростью распространения звука в воде.

Для расчета ударного повышения давления может быть применена формула Жуковского

(3.28)

где - ударное повышение давления, МПа; - скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с; - скорость звука в трубопроводе, т.е. скорость, с которой распространяется в трубопроводе зона уплотнения жидкости, м/с; - плотность жидкости кг/м ; - объемная масса жидкости, кг/(м ·с ); - ускорение свободного падения, м/с .

Скорость звука в трубопроводе определяется по выражению

(3.29)

где - радиус трубы, м; - модуль упругости (сжатия) жидкости, МПа; - толщина стенок трубы, м; - модуль упругости для материала стенок трубы, МПа.

Значение модуля упругости жидкости для воды при изменении давления от 0,1 до 50 МПа и при обычной температуре можно приблизительно считать равным 2000 МПа, а для нефтепродуктов - 1350 МПа. Значение для стали принимается равным 210000 МПа, для чугуна - 100000 МПа.

Скорость распространения звука (ударная волна) в чугунных трубах в зависимости от их диаметра и толщины стенок принимают следующей:

#G0диаметр трубы, мм ++++++++++++..	50	100	200	300	600
толщина стенок, мм ++++++++++++	7,0	8,5	10,5	12,5	18,0
скорость распространения ударной волны, м/с +	1348	1289	1209	1167	913

Интересно отметить, что скорость распространения ударной волны в резиновых трубках составляет всего 30 м/с.

Проведенные за последние годы исследования показывают, что величина ударного давления зависит не только от скорости воды в трубопроводе, но и от величины статического давления в первоначальный момент и потерь напора на трение и местные сопротивления.

Опытами установлено, что быстрое закрытие крана или задвижки почти всегда приводит к разрыву сплошности потока воды или отрыву его от затвора с образованием пустот, заполненных паром. Последующее поступление воды в разреженное пространство приводит к ударному повышению давления, и если потери напора невелики, то величина действительного ударного давления близка к величине , определяемой по формуле Жуковского. При значительных потерях напора на трение будет несколько ниже теоретического, полученного по формуле Жуковского:

При подаче воды в резервуары, расположенные на более высоких отметках, чем насосная станция, явление гидравлического удара возможно в момент внезапной остановки насоса. При остановке насоса жидкость сначала двигается в прежнем направлении и у насоса создается пониженное давление. Дойдя до резервуара, волна поворачивает обратно и к насосу подходит уже с повышенным давлением. Если обратный клапан отсутствует, то вода проходит через насос и начинает вращать его в обратную сторону*. Кроме того, при обратном движении воды вымываются случайно попавшие в водовод предметы, которые могут повредить насос. Чтобы не допустить этого явления, после насоса, как правило, ставят обратный клапан, однако обратный клапан закрывается очень быстро, что приводит к созданию повышенных давлений (гидравлического удара). Для предотвращения этого закрывание клапана следует производить медленно, и полное закрывание должно произойти только после возвращения обратной волны.

_____________________

* Опыты ВНИИ ВОДГЕО показали, что обратное вращение колеса насоса не создает опасных явлений.

При длине трубопровода время на проход волны туда и обратно равно 2 и, следовательно, время закрывания клапана должно быть несколько больше 2 , чтобы свести удар к минимуму.

Время закрывания обратного клапана можно отрегулировать с помощью клапана - гасителя гидравлических ударов. Роль гасителей удара могут выполнять также гидравлические или электрические задвижки с отрегулированным временем их закрытия. а также пружинные и рычажно-грузовые предохранительные клапаны. Самым простым устройством для предотвращения гидравлических ударов могут служить водяные колонны, но они удобны только при небольших напорах.

Для ослабления гидравлических ударов применяются воздушные котлы, которые могут устанавливаться как у насосов, так и на напорных участках водоводов и сетей, а также вставки из труб, скорость распространения ударной волны в которых значительно ниже, чем в стальных и чугунных трубах.

Электрохимическая коррозия металлических трубопроводов. Согласно электрохимической теории коррозии между отдельными частями поверхности металлов (в данном случае поверхности труб, уложенных в грунт) и электролитом (грунт, грунтовые воды) вследствие неодинакового состояния поверхности металла, различия концентрации газов, особенно кислорода, у поверхности металла возникает термопара, т.е. местный элемент. Участок с меньшим потенциалом будет анодом, с большим - катодом.

На анодных участках положительно заряженные ионы металла переходят в электролит (грунтовые воды, грунт), вызывая разрушение металла.

Для предохранения металла труб от разрушения применяют катодную или анодную защиту, устраивают металлические и химические покрытия, окрашивают трубы, используют также и комбинированные методы, например битумное покрытие и катодную защиту, которые в настоящее время получили наиболее широкое распространение. При катодной защите (рис.3.13) вся поверхность трубопровода делается катодом, а анодом служат зарытые вблизи трубопровода стальные предметы (куски рельсов, старых труб и др.). Трубопровод подсоединяется к отрицательному полюсу источника тока, а кусок металла - к положительному (активная защита). Разрушаться будет анод (заземление). Расход энергии составляет около 2 кВт·ч в сутки на 100 м поверхности трубопровода.

Рис.3.13. Принцип действия катодной защиты

1 - источник тока; 2 - анод (старые трубы или рельсы); 3 - защищаемый трубопровод

Катодную защиту применяют как дополнение к битумной, так как при непокрытом битумом трубопроводе расход электроэнергии настолько велик, что катодная защита становится экономически невыгодной. В качестве источников электроэнергии могут использоваться генераторы постоянного тока, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания, располагаемыми в отдельных пунктах трассы. В качестве источников тока можно применить ветросиловые установки с автоматическим включением аккумуляторов при безветрии.

Катодная защита возможна и без применения постороннего источника электроэнергии - так называемая катодная защита автономными анодами (пассивная защита). В этом случае для защиты трубопроводов вблизи них зарывают металл, имеющий более отрицательный электрохимический потенциал, чем потенциал стали. Трубу соединяют с этим металлом (анодом) проводом. В качестве анодов применяют круглые стержни из магния, цинка и их сплавов длиной 50-120 см, устанавливаемые вертикально.

Потенциал защищаемого металла при катодной поляризации будет сдвигаться в отрицательную сторону относительно окружающего электролита. Защитный потенциал стали, при котором коррозия отсутствует, равен 484-584 мВ (относительно нормального водородного электрода).

Результатом токообразующей реакции является растворение анодного металла с образованием положительно заряженных ионов. Процесс идет по двум реакциям, на каждую из которых приходится 50% общего расхода анодного металла:

Ме (анод) Ме (электролит) + 2 (электрон); (3.30)

Ме (анод) + 2Н О Н + Ме + 2ОН . (3.31)

Далее идет реакция, протекающая вблизи стенок трубопровода:

2Н + 2ОН + 2 Н + 2ОН . (3.32)

Из уравнений (3.30)-(3.32) следует, что прикатодный слой воды около стенок трубопровода защелачивается. Если в соседних слоях грунтовой воды содержатся сульфаты или бикарбонаты SO и НСО , то при определенной степени защелачивания происходит образование защитного слоя по реакциям:

Са + 2НСО + 2OН СаСО + СО + Н O; (3.33)

Мg + 2НСО + 2OН МgСО + СO + Н О; (3.34)

Мg + SO + 2OН Мg(ОН) + SO . (3.35)

Образующийся защитный слой [СаСО и Мg(ОН) ] уменьшает обнаженную поверхность, которую надо защитить, и свободную диффузию кислорода к поверхности защищаемого металла.

Защита (катодная, анодная) должна осуществляться комплексно для всех металлических трубопроводов (водопровод, газопровод, теплопровод), уложенных в грунтах и находящихся в непосредственной близости друг от друга. Защита одного из них может привести к усиленной коррозии других трубопроводов.

Блуждающие токи. Если металлический трубопровод уложен вблизи трамвайных путей, электрических железных дорог, метрополитена, силовых установок, кабелей постоянного тока и т.д., то он подвергается разрушению вследствие действия блуждающих токов. В тех местах, где ток входит в трубопровод, он не разрушает его, так как эти места являются катодными. Там же, где ток выходит из трубопровода, поверхность последнего разрушается. В этом случае, как и при почвенной коррозии, ток уносит в почву положительно заряженные ионы металла (рис.3.14).

Рис.3.14. Схема действия блуждающих токов

1 - троллейный провод; 2 - рельсы трамвая; 3 - тяговый ток ; 4 - ток отсасывающей сети ; 5 - трубопровод; 6 - катодная зона; 7 - нейтральная зона; 8 - анодная зона; 9 - блуждающие токи

Основной мерой по предотвращению разрушения труб от действия блуждающих токов является устранение самих блуждающих токов. Для этой цели обеспечивают непрерывность рельсовых путей, устраивают отсасывающие фидера от рельсов, увеличивают сопротивление в местах перехода тока от рельсов в почву и т.п. Из мер, принимаемых непосредственно для защиты трубопровода, можно указать на устройство усиленной изоляции, засыпку трубопроводов со всех сторон песком и изолирование стыков с резиновыми прокладками с целью разрыва электрической непрерывности трубопровода.

Блуждающие токи могут оказывать воздействие на трубопроводы, расположенные на расстоянии до 500 м от источника блуждающих токов. Защита трубопроводов от блуждающих токов, как и при электрохимической коррозии, также должна производиться комплексно для всех трубопроводов, расположенных в непосредственной близости друг от друга.